（交通信息工程及控制专业论文）基于GPS和GSMR的列车定位系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 铁路是我国国民经济运行的大动脉。通过信息技术增强铁路行业的竞 争实力，是使其迎接新世纪挑战的基础和前提。地理信息系统作为对空间 数据进行加工处理、分析、显示的计算机系统，已广泛应用于道路交通、 城市规划、土地管理、电力电信等领域。目前，g i s 技术已经与多媒体、 虚拟现实、遥感以及g p s 技术广泛结合，成为空间信息管理的有力手段。 全球定位技术、地理信息系统、移动通信系统的发展，对铁路技术设备的 改进、铁路运输能力的提高提供了有效的解决方案。如何将这些技术用于 铁路运输，越来越得到铁路工作者的关注。 本文根据各种定位方式的特点设计了列车定位系统。该系统使用了基 于g p s d r 删( 全球定位技术、航位推导、地图匹配) 组合定位方案，数 据处理采用基于模糊算法的数据融合技术，利用g s m r 传输实现列车动态 位置数据与地面之间的传输，并且对定位数据的融合，地图的匹配算法进 行了设计。利用m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 编写了发送遵循n m e a 一0 1 8 3 协议g p s 模拟信号的程序，为g p s 列车定位系统提供各种状态下g p s 接收 机有可能发送的g p s 全球卫星定位接收信号的模拟信号，并且实现了地图 经纬度校正，保存及回放路径等多种功能。通过本论文的研究为在铁路系 统中实现列车的精确定位做出了具有积极意义的探索。 关键字：g p s ：g s m - r ；组合定位技术；数据融合；地图匹配； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t t h er a i l w a yi st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ro ft h en a t i o n a le c o n o m y t h ei n f o r m a t i o n t e c h n i q u ec a l le n h a n c et h ec o m p e t i t i o ns t r e n g t ho ft h er a i l w a y ，i ti sa l s ot h ef o u n d a t i o n a n dt h ep r e m i s et of a c et h ec h a l l e n g eo ft h en e wc e n t u r y t h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) i sac o m p u t i n gs y s t e mw h i c hc a np r o c e s s ，a n a l y z ea n d s h o wt h es p a c ed a t a ， i th a v ea l r e a d yb e e na p p h c di nr e a l m s ，s u c ha st r a f f i c ，c i t ) ，p l a n n i n g ，l a n da d m i n i s t r a t i o n , e l e c t r i cp o w e r ，t e l e c o m m u n i c a t i o n c u r r e n t l y , t h eg i sh a sc o m b i n e de x t e n s i v e l yw i t h m u l t i m e d i a ，v i r t u a lr e a l i t y , r e m o t es e n s i n ga n dg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m , i th a sb e c o m e ag o o da r t i f i c et ot h em a n a g e m e n to ft h es p a c ei n f o r m a t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to f g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e ma n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e ma n dm o b i l ei n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n ，a r ew i t h i ne a s yr e a c ht h ei m p r o v e m e n to fr a i l r o a df a c i l i t i e sa n dt h ec a p a c i t y o ft h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nw i t he f f e c t i v es o l u t i o n s h o wt oa p p l yt h o s et e c h n o l o g i e st o t h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nd r a w sm o l ea n dm o r ec o n c e l n sa n da t t e n t i o n so ft h er a i l r o a d p r o f e s s i o n a l s a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sp o s i t i o n i n gm e t h o d s ，id e s i g nat r a i n s p o s i t i o n i n gs y s t e m t h et e c h n o l o g yo fi n t e g r a t e dg p s d r m m ( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m d e a dr e c k o n i n g m a pm a t c h i n g ) p o s i t i o n i n gi sa d o p t e dt oi m p l e m e n tt r a i n s p o s i t i o n i n gi nt h es y s t e m t h et e c h n o l o g yo fd a t af u s i o nb ym e a n so ff u z z ya l g o r i t h m a p p r o a c hi se m p l o y e dt od e a lw i t ht h ep r o c e s s i n go fd a t a m a k i n gu s eo ft h eg s m rt o t r a n s m i tt h et r a i n s p o s i t i o n i n gd a t a t h ew a yo fd a t af u s i o na n dt h em a p m a t c h i n ga l s o h a v eb e e nd e s i g n e di nt h es y s t e m a tl a s t 1w r i t eap r o g r a mt os e n dt h es t i m u l a n tg p s s i g n a l sw h i c hf o l l o wt h ea g r e e m e n tn m e a 一0 18 3 i tp r o v i d e sv a r i o u ss t i m u l a n tg p s s i g n a l st ot h et r a i n s p o s i t i o n i n gs y s t e m t h ep r o g r a ma l s oc a n c o r r e c tt h el o n g i t u d ea n d t h el a t i t u d eo ft h em a p ，s a v ea n dr e p l a yt h er o u t e i ti sp r o v e dt h a tt h i ss t u d yh a sp o s i t i v e e f f e c tt ot h ep o s i t i o n i n go ft h er a i l w a y k e yw o r d s ：g p s ；g s m r ：t e c h n o l o g yo f i n t e g r a t e dp o s i t i o n i n g ；d a t af u s i o n ； m a pm a t c h i n g 西南交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本学术论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密曰，适用本授权书。 学位论文作者签名： 日期夕。如s 2f 7 弧 指导教师签名： 日期加0 8 ，占、27 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工 作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 设计了列车g p s d r 查询应答器轨道电路组合定位方案。利用g p s 传来的定位信息在线路区段进行定位，当g p s 信号失灵时，采用航位推算 ( d r ) 进行定位，二者结合弥补了各自的缺陷。在某些重点地带采用查询应 答器定位，在车站采用差分g p s + 轨道电路法进行列车定位，定位精度较高； 2 设计了对各定位方式获取的数据进行数据融合方法，利用模糊逻 辑算法来提高定位信息的可靠性。并设计了地图匹配的算法，对定位信息 进行地图匹配，从而最终实现精确可靠的列车定位； 3 设计了遵循n m e a 一0 1 8 3 协议的发送g p s 模拟信号软件，并编写程序 实现多项功能。为今后在实验室进行列车g p s 定位监控系统的仿真研发提 供了极大的方便。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 铁路是我国国民经济运行的大动脉，通过信息技术增强铁路行业的竞 争实力，是使其扭亏为盈、迎接新世纪挑战的基础和前提。 铁路智能运输系统( r a il w a yi n t e lli g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ， r i t s ) 是利用计算机技术、现代通信技术、现代信息处理技术、控制与系 统技术、管理与决策支持技术和智能自动化技术等，实现信息采集、传输、 处理和共享，通过高效利用与铁路运输相关的所有资源，以较低的成本达 到保障安全、提高运输效率、改善经营管理和提高服务质量为目的新一代 铁路运输系统。 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 为列车监控系统提 供列车的位置信息。它是以卫星为基础的授时与测距导航无线电导航定位 系统，能为车辆等诸多移动站提供精确的三维坐标、速度和时间，是一种 最直接、最经济、最可靠和最成熟的技术。伴随着列车一次次的提速，我 国铁路整体装备水平正在逐步提高。铁路对系统的安全性要求更高，高速 行驶中列车的各项信息要及时准确地传达，铁路的安全生产、指挥调度与 铁路通信的服务越来越密不可分。采用g p s 就可以很好地解决这一问题。 将g p s 技术运用于铁路，列车调度系统便可高度掌握列车的运行位置，便 于跟踪监测。根据机车行车线路的具体路况，将相应的调度命令，对司机 进行路况语音提示。这样将大大提高机车的安全性，并缓解司乘人员作业 紧张程度；将机车的位置信息及时发送给铁路养护维修人员，从而有力地 保证人身安全；同时旅客也可以知道自己所乘坐列车的确切位置和前方车 站的有关信息咄1 。 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 作为空间数据 加工、处理、分析、显示的计算机系统，已广泛应用于道路交通、城市规 划、土地管理、电力电信等领域口1 。g i s 也是建立列车监控系统中的一项 关键技术，是列车监控系统的重要支撑平台。它集铁路交通网信息和被监 控的运行列车主体信息为一体，不仅能够借助电子地图迅速准确地为列车 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 司机和监控中心管理员提供各种信息的查询，而且能够通过监控中心与列 车之间的双向通信，对列车实行跟踪、监控和调度管理h 3 。地理信息系统 所特有的空间数据描述与组织的数据模型，空间数据分析算法，多尺度多 时态多种信息源的集成显示与存储管理，以及支持网络信息发布功能，为 列车监控系统提供了技术支持。 g p s 与g i s 技术相结合，同时，采用无线通信网络以及计算机车辆管 理信息系统，形成了一个g p s g i s 综合服务网络，从而实现列车的实时定 位、实时导航、智能调度、信息服务、紧急救援、轨道设施信息的实时采 集标注、行车安全管理、事故分析等功能拍。对铁路技术设备的改进、铁 路运输能力的提高提供了有效的解决方案。 1 2 国内外研究的现状 尽管有关铁路智能运输系统的概念是最近几年才提出的，但发达国家 有关铁路智能运输系统的研究已有4 0 余年的历史了，并且在综合运营管 理、列车运行自动控制、电子付费、紧急救援、安全监控等方面取得了很 多成就。随着科学技术发展，定位技术在交通运输领域的应用越来越广泛， 目前可用的卫星定位系统有美国的g p s 系统、俄罗斯的g l o n a s s 系统、我 国自主研制的“北斗一号 导航系统，另外欧洲的加利略( g a l i l e o ) 卫星 定位系统预计将在2 0 0 8 年投入运行。目前针对铁路列车定位，各国采用 的方式有所不同，法国a s t r e e 系统采用多普勒雷达进行定位；北美a r e s 、 p t c 、p t s 系统采用g p s 进行定位：欧洲e t c s 、日本c a r a t 系统采用查询 应答器和里程计进行定位：德国l z b x 系统采用轨间电缆进行定位璩3 。 我国自七五期间开始的铁路信息化建设取得了丰富的成就，先后建 成了计算机联锁控制系统、列车运行状况监控系统、计算机化的自动闭塞 系统、智能列车运行控制系统、t m i s 系统、d m i s 系统、t d c s 系统、客票 发售和预订系统等，为建设中国铁路智能运输系统奠定了坚实基础口1 。目 前我国针对列车定位的研究主要以采用g p s 为主，并已将g p s 和“北斗” 导航系统用于青藏铁路列车定位和运输综合调度指挥的研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 本论文研究内容及研究意义 本论文设计了用g p s d r 组合定位的方案对列车进行定位。设计系统 利用g s m - r 网络进行数据通信传输的方案。设计了数据融合方案和地图匹 配算法，使定位显示更加准确。编写g p s 接收机仿真软件，为g p s 导航系 统提供各种状态下g p s 接收机有可能发送的g p s 全球卫星定位接收信号的 模拟信号，为实验室今后对列车g p s 定位系统的仿真开发提供了极大的方 便。 目前，我国铁路正向高速发展。列车的高速行驶对监控系统中列车的 定位信息和列车与监控中心的数据通信提出了更高的要求。相信随着g s m - r 技术的完善和深入应用，基于g p s d r g i s 技术以及g s m r 通信技术的列 车监控系统在建立我国智能铁路系统方面会有更加广泛的应用前景。 1 4 论文结构 第一章为绪论部分，提出了论文的研究背景，国内外现状以及研究内 容及意义。 第二章介绍了系统采用的一些主要关键技术，包括g p s 技术、g i s 技 术、电子地图、地图匹配( m a pm a t c h i n g 一删) 技术，以及g s m r 技术。 第三章为本系统的定位方案和数据通信的设计。 第四章为本系统的数据融合设计，地图匹配技术的算法设计。 第五章为模拟g p s 接收机信号发送的程序编制设计。 最后对系统设计的各个方面做出了总结。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 2 1g p s 技术 第2 章关键技术介绍 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) g p s 是以卫星为基础的授 时与测距导航无线电导航定位系统，能为车辆、轮船等诸多移动站提供精 确的三维坐标、速度和时间。全球定位系统就是利用人造卫星来确定一个 物体处在地球上的具体位置。根据几何学理论，只要精确地测量该物体到 三个人造卫星间的距离，然后分别以这三颗卫星为球心来做三个球面( 球 的半径为目标到卫星的距离) ，球面的交点即为该物体的位置。这就是g p s 最基本的原理旧1 。 g p s 系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。 空间星座部分。g p s 卫星共2 4 颗，由2 l 颗工作卫星和3 颗备用卫星 组成，卫星分布在互成6 0 度的6 个轨道平面上，轨道倾角为5 5 度，每个 轨道面上布设4 颗卫星，轨道高度约2 0 2 0 0 0 k m 。卫星运行周期为1 2 小时， g p s 每天2 4 小时供世界范围的覆盖。每颗g p s 工作卫星都发出用于导航 定位的信号，g p s 用户正是利用这些信号来进行工作的。g p s 卫星空问星 座的分布保障了在地球上任何地点、任何时刻至少有4 颗卫星可供同时观 测，而且卫星信号的传播和接收不受天气影响，因此，g p s 是一种全球性、 全天候的连续实施定位系统。空间星座部分可以提供星历和时间信息、发 射伪距和载波信号并提供其它辅助信息。 g p s 卫星的地面监控部分是由分布在全球的5 个地面站组成，其中包 括卫星监测站、主控站和信息注入站三大部分，完成中心控制系统、实现 时间同步以及跟踪卫星进行定轨等功能。 根据g p s 用户的不同要求，所需的接收设备各异，其主要任务是接收 并观测卫信号、记录和处理数据、提供导航定位信息等。主要由g p s 接收 机硬件和数据处软件，以及微处理机和终端设备组成。根据g p s 用户的要 求不同，g p s 接收机也许多不同的类型，一般可分为导航型、测量型和授 时型。 利用g p s 可以进行海、陆、空、地的导航，导弹制导，大地测量和精 密工程测量，时间传递和速度测量等。在测绘领域，g p s 定位技术已用于 建立高精度的大地测量控制网，测定地球动态参数；建立陆地及海洋大地 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 测量基准，进行高精度海陆联测及海洋测绘；检测地球板块运动状态和地 壳形变；在工程测量方面，已成为建立城市与工程控制网的主要手段；在 精密工程的变形检测方面，它也发挥着极其重要的作用；同时g p s 定位技 术也用于测定航空航天摄影瞬间相机的位置，可在无地面控制或仅有少量 地面控制点的情况下进行航测快速成图，推动了地理信息系统及全球环境 遥感监测的技术迅速发展。 建国后，我国的航天科技事业逐步建立和发展起来，己跻身世界先进 水平的行列，成为空间强国之一。自从1 9 7 0 年4 月第一颗人造卫星上天 以来，我国已成功地发射了3 0 多颗不同类型的人造卫星，从而为空间大 地测量工作的开展奠定了基础。 2 0 世纪7 0 年代后期，有关单位在理论研究的同时，引进并试制成功 了各种人造卫星观测仪器。其中包括人卫摄影仪、卫星激光测距仪和多普 勒接收机。根据多年的观测资料，实现了全国天文大地网的整体平差，从 而建立了1 9 8 0 年国家大地坐标系，并成功地进行了南海群岛的联测定位。 2 0 世纪8 0 年代初，一些院校和科研单位已开始研究g p s 技术。2 0 多 年来，测绘工作者在g p s 定位基础理论研究和应用开发方面做了大量的工 作。8 0 年代中期，我国引进了g p s 接收机，并将其用于各个领域，同时 研究建立自己的卫星导航系统旧。 2 2g i s 技术 2 2 1 基本概念 地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是随着地 理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学的发展而发展起来的一个学科。 它是整个地球或部分区域的资源、环境在计算机中的缩影，其反映了现实 世界( 资源或环境) 的各类空间数据及描述这些空间数据特征的属性，是在 计算机软件和硬件的支持下，以一定的格式输入、存贮、检索、显示和综 合分析应用的技术系统。它是一种特定而又十分重要的空间信息系统，它 是以采集、贮存、管理、处理分析和描述整个或部分地球表面( 包括大气 层在内) 与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统0 | 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 随着技术的发展，当今g i s 已融入i t 技术的主流，形成g i s 软件平 台。通常在g i s 软件平台上包含桌面软件、开发平台及利用平台开发的各 种应用系统。随着g i s 应用的深入和普及以及计算机网络技术的发展，g i s 将进一步从平台g i s 向跨平台操作g i s 方向发展，以便保护现有的空间信 息资源，实现空间信息的有效共享和互操作，其中组件技术、x m l 技术的 发展为实现跨平台互操作g i s 奠定了技术基础。 2 。2 2 电子地图 数字地图是地图的数字形态，是以数字形式表示的地图。 电子地图是数字地图与g i s 软件工具结合的产物。它以地图数据库为 基础，将地图用数字形式存储在计算机外存储器上( 如磁盘、光盘、磁带 等) ，依托g i s 工具，对地图实现输入、输出、查询分析和显示，它侧重 于空间信息的表现和显示，致使很多g i s 应用成果常以电子地图形式展 示。电子地图不仅保留了传统地图的优点，还包含了某些g i s 的功能。由 于它强调空间信息可视化功能和地图量算功能，它能对地理信息进行多层 次综合加工、提取。其主要特点为： 1 1 很强的空间信息可视化功能 它通过科学而系统的符号系统，强有力的可视化界面，支持地图的动 态显示，如三维动态立体图、视觉立体图等，并可采用闪烁、变色等手段 增强读图效果。 2 1 电子地图表示的地图是无缝的 电子地图可无极缩放、漫游、平移、开窗显示，不需要地图分幅。一 般带有自动载负量调整系统，能动态地调整地图载负量，使得屏幕上显示 的内容保持适当，保证地图的易读性。 3 ) 提供比一般模拟地图多得多的功能和信息 通常它支持空间信息的多种查询、检索和阅读，并支持基本的统计、 计算，如面积、长度、距离等的计算。 4 ) 电子地图制作周期短 5 ) 提供地理信息丰富、存储方便、有利于标准化和规范化，便于远程 传输。 早期的电子地图制是模拟地图的简单数字化，随着技术的发展和应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 的扩大，电子地图中不断加入g i s 的功能，从查询、量算功能直到特定的 分析功能，如最佳路径分析等，从而使它同g i s 的公众服务互相交叉融合 在一起。 在现代社会中，交通体系及其复杂，地图已成为人们出行的必备工具， 这位电子地图应用提供天地，导航电子地图因此应运而生。导航电子地图 以g p s 作为定位工具，电子地图实现定位可视化，再加上g i s 的网络分析 功能构成完整的导航工具。 2 2 3gis 在列车监控系统中的应用 g i s 技术也是建立列车监控系统中的一项关键技术，它综合了数据 库、计算机图形学、几何学、地理学等技术，以地理空间数据为基础，采用 地理模型和分析方法，适时提供多种动态的地理信息，从而为存放和管理 定位导航信息提供服务。因此在列车定位与监控中，g i s 充当着信息系统 的角色。它集铁路交通网信息和被监控的运行列车主体信息为一体，不仅 能够借助电子地图迅速准确地为列车司机和监控中心管理员提供各种信 息的查询，而且能够通过监控中心与列车之间的双向通信，对列车实行跟 踪、监控和调度管理。 2 3m a p x m a p x 是一个快速、易用、功能强大的地图化组件。在v i s u a lb a s i c ， d e l p h i ，p o w e r b u il d e r ，v c + + 等可视化开发环境中，只需在设计阶段将 m a p x 控件放入窗体中，并对其进行编程，设置属性或调用方法或相应事 件，即可实现数据可视化，专题分析，地理查询，地理编码等丰富的地理 信息系统功能。m a p x 组件的基本组成单元是集合( c o ll e c t i o n s ) 和单个对 象( o b j e c t s ) 。其中集合包括对象，是多个对象的组合。每种对象和集合 负责处理地图某一方面的功能。如图2 - 1 所示是m a p x 的模型结构，可以 看出，位于项层的是m a p 对象本身，其他均由m a p 对象继承。l a y e r s 、 d a t a s e t 、a n n o t a t i o n s 是m a p 对象下面的3 个重要的分支。其中l a y e r s 主要用于操作地图的图层，d a t a s e t 用于访问空间数据表，a n n o t a t i o n s 用于在地图上增加文本或者符号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 4 地图匹配技术 2 4 1 地图匹配的概念 图2 - 1 l a p x 的模型结构 系统采用地图匹配( m a pm a t c h i n g 一删) 技术来提高实时监控中列车的 定位精度。该技术以模式识别理论为依据，利用电子地图，基于“车辆始 终行驶在道路上”与“电子地图数据是准确的 的假设，以电子地图中的 某个车辆位置点或某段车行轨迹曲线作为待匹配样本，根据一定规则在空 间地图数据库中选取一定量的点或曲线作为匹配模板库，通过样本与模板 库中的实体进行比较，选择特征相似度最高的一对样本一实体对作为匹配 结果，从而找到车辆所在的道路，计算出准确的车辆位置，从而达到矫正 6 p s 接收数据的定位误差的目的。 有效的地图匹配算法能显著地提高道路网络定位的准确性。地图匹配 算法通过把车辆轨迹与数字地图数据库模块提供的路径相比较，可以把基 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 于各种传感器的车辆位置与道路网联系起来。通过模式识别和匹配过程来 确定车辆关于地图的最大可能位置。因为地图数据库包含道路的位置坐 标，所以匹配位置可用于重新定位车辆的位置，限制误差的幅度。 2 4 2 地图匹配的过程 一般而言，地图匹配算法应具备以下过程： ( 1 ) 通过预处理、特征提取提取出待匹配样本和所有模板进行分析、 描述，并提取出相应的位置或形状特征； ( 2 ) 根据算法的匹配规则，依次计算待匹配样本和所有模板间的匹配 相似度； ( 3 ) 选取相似度最高的位置点或道路曲线模板，作为匹配结果进行 定位。 常用的地图匹配算法有：常规地图匹配法、基于拓扑关系的匹配算法、 概率统计算法、基于逻辑模糊的地图匹配、基于神经网络的地图匹配算法、 基于车辆行驶状态的地图匹配算法等。 在实际应用中，没有任何一种算法能在任何的情况下都表现出特别突 出的效果。上述算法大多是针对公路交通的情况而提出的。但是，铁路运 输情况与公路有着很大的差异，这也决定了铁路地图匹配算法有其特殊 性。例如，铁路上往往有很多平行的轨道，特别是调车场，轨道与轨道之 间的距离较小，通常为5 米左右，如何在这种情况下，实现精确的地图匹 配是非常值得研究的。 由于我国铁路领域的g i s 应用还处在探索阶段，值得参考借鉴的经验 不多。所以，结合我国铁路实际应用情况，设计一种实用的列车地图匹配 算法是十分有必要的。 2 5g s m r 技术 g s m - r ( g s m r a i l w a y ) 是国际铁路联盟( u i c ) 和欧洲电信标准研究所 ( e t s i ) 为欧洲新一代铁路无线移动通信开发的技术标准n 刳。可概括为 “g s m r = g s m + 集群移动通信+ 铁路专用功能”。它是以g s m 技术为基础，为 满足铁路的需求，在g s m 标准中引入了多优先级管理、紧急呼叫、组呼、 广播呼叫等相关业务。g s m - r 使用标准g s m 技术和为铁路专用的频段及通 信系统，形成一个列车与地面之间的大容量双向无线通信系统。通过g s m r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 建立列车与监控中心的联系，可实现对列车运行的实时监控。 g s m r 由3 个模块构成：g s m r 陆地移动网络、f a s 固定网络、移动终 端和固定终端。 1 g s m - r 陆地移动网络 g s m - r 陆地移动网络的结构由基站子系统( b s s ) 、网络子系统( n s s ) 、 操作和维护子系统( o s s ) 3 个子系统组成( 如图2 - 2 ) 图2 - 2g s m - r 陆地移动网络的基本结构框图 ( 1 ) 基站子系统( b s s ) 由基站控制器( b s c ) 和若干个基站收发机( b t s ) 组成，b t s 主要负责与 一定覆盖区域内的移动台( m s ) 进行通信，并对空中接口进行管理。b s c 用 来管理b t s 与m s c 之间的信息流。 ( 2 ) 网络子系统( n s s ) 网络子系统( n s s ) 建立在m s c 上，负责端到端的呼叫、用户数据管理、 移动性管理、与固定网络的连接，包括g m s c ( 网关m s c ) ，h l r 归属位置 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 寄存器) 、v l r ( 拜访位置寄存器) 、g c r ( 组呼寄存器) 、a u c ( 鉴权中心) 、 e i r ( 设备识别寄存器) 等。 ( 3 ) 操作和维护子系统( o s s ) 操作和维护子系统( o s s ) 是相对独立的子系统，为g s m r 网络提供管 理和维护功能，主要提供移动用户管理、移动设备管理、网络操作和控制 三类功能。由操作维护中心( o m c ) 来完成，其中o m c r 负责管理b s s ，o m c s 负责管理n s s 。 2 f a s 固定网络 f a s 固定网络实际上是一个专用自动交换机( p a b x ) 为平台的有线调度 通信网络，现有的干、局线区段有线调度网络所采用的数字调度设备是以 电路交换为平台的，为了满足有线调度与无线调度的融合，必须在当前的 设备基础上增加网络接口和软件功能。 3 移动终端和固定终端 g s m - r 应用的用户终端类型包括移动终端和固定终端，适应于铁路运 输指挥通信，铁路运输管理通信及数据传输通信的不同用户终端类型。 g s m r 的主要技术特征包括：( 1 ) 具有全部g s m 业务和功能；( 2 ) 单 一平台，能够满足所有语音和数据通信( 电路交换分组交换) 的需要；( 3 ) 满足铁路员工在车上和沿铁路线语音通信的需要：( 4 ) 灵活的数据传输方 式( g p r s ) ，可按需分配带宽；( 5 ) 具有智能网络功能，可提供新的业务和操 作员特殊功能；( 6 ) 可以向第三代移动通信( 3 g ) 平稳过渡：( 7 ) 频率管理 与g s m 兼容。 目前，欧洲已有3 0 多个国家选择g s m - r 作为铁路移动通信系统。其中， 意大利、瑞士、瑞典、德国、荷兰和英国等国家的铁路组织已签订了g s m r 系统的商用合同，并开始建设g s m - r 系统。瑞典2 4 0 0k m 的第一期工程设 备已安装完成，并已投入商业运行。美国也正在考察g s m r 的可行性。我 国铁路部门目前也正在对建立g s m r 移动通信系统进行研究和试验。 g s m - r 技术成熟可靠，并且能适应( 高速) 铁路的要求。其标准能满足 5 0 0k m h ，其试验最高速度为3 5 0k m h ，能满足列车监控以及自动控制的 需要。随着g s m 技术的不断发展，g s m - r 系统性能将不断提高，功能将不断 增加，具有向第三代通信标准过渡的能力。此外，通过g s m r 进行通信可以 保证数据传输的高可靠性和保密性，设计时可规定铁路相关部门在g s m r 系统中具有最高运行权，如果采用公用g s m 系统就很难保证这一点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第3 章系统的定位方案及数据通信设计 3 1 系统的总体结构 系统的总体结构如图3 - ! 所示： l 车戴设鲁 车站轨道f 矗息ir 盐 f j 车站分机子系统 j 叁g s m r 罄站 芗 匆 i 捌眵无2 詈麓亨 对r 磊计算机一 、r l 图3 - 系统总体结构示意图 - 1 ) 系统分为四个组成部分：分别是调度指挥中心，数据通信设备，车站 分机系统及车载移动部分。车载移动设备上接收到的列车定位信息，以及 车站分机子系统获取的车站列车上运行状态通过数据通信设备传送到调 度中心，由调度中心主控计算机处理后，将实时信息以可视化方式反馈给 调度员、车站分机及车载微机及其他相关人员，为其提供决策依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 3 2 本系统的定位方案 列车在运行过程中，由于线路、地形及其它情况的变化较大，不同的 地方需要采用不同的定位方式。因此在设计系统方案时，针对铁路线路的 具体情况，既要考虑定位的精度，又要考虑实现定位的经济成本，以达到 经济有效的定位目的。系统采用组合定位方案，即g p s + d r + 查询应答器+ 站内轨道电路法进行定位，在铁路区间g p s 信息接收状况良好的情况下， 采用g p s 定位；当在隧道、山区、森林、城市建筑群等处，g p s 信号会减 弱或消失，这时采用d r 航位推算法进行定位；在一些重点位置，如特别 长大的隧道、重要的桥隧处，设置查询应答器实现精确定位；在车站站 线内，使用g p s + 轨道电路法实现列车的定位。随后采用软件方法，融合 定位信息，并进行地图匹配，进一步提高定位的准确度。 下面分别对所采用的定位方式进行描述。 3 2 16 p s 在区间的定位 在本系统方案中，铁路线路区间列车采用g p s 进行定位，可在列车上 面安装两套g p s 接收机来实现系统定位，将g p s 接收机安装在列车头部和 尾部，这样有助于对多套g p s 定位结果及性能进行数据融合，实现定位数 据互检校，而且可同时对列车首尾跟踪定位，定位及检校的同时实现列车 完整性检测。 当车载设备接收到g p s 定位信息后，通过接口传送到车载嵌入式微机 系统中，再通过无线通信系统传入地面，随后利用通信交换网传到调度中 心的主控中心计算机，中心计算机处理后在电子地图上显示列车的运行轨 迹。 本课题在设计系统区间定位时，选用了g a r m i ng p s 2 5o e m 板来进行 定位，其采用单一5 v 供电，内置保护电池，具有r s 一2 3 2 ，t t l 两种电平， 同时支持r t c m 差分输入，提供1 p p s 秒脉冲，是目前应用最广泛的g p s 接 收处理板。g p s 2 5o m e 板拥有并行1 2 通道，能够同时追踪1 2 颗g p s 导航 星信号，并行1 2 通道瞬间即可锁定可视卫星。g p s 2 5 接收板体积小、重 量轻、功耗低；首次定位和重新捕获时间短；具有极强的抗树荫和高楼遮 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 挡能力；高动态性能，提供载波相位、伪距、伪距率、星历输出；无静态 漂移；e 2 r o m 自动存储；双串口输出；操作简便，易于开发，非常适合在 各种导航定位设备及车、船等移动目标中使用。其误差小于5 m ，能够满 足列车在区间定位的需求。 选用g p so e m 板后，本系统中在每列车上安装两个g p so e m 板，列车 首部和尾部各一个。分别由r s 2 3 2 通信接口接入车载嵌入式微机系统中。 g p s 区间定位由天线单元和接收单元及车载传输单元三部分组成。其结构 如图3 - 2 所示( 下图仅列出一个g p s 接收机，另一个亦通过r s 2 3 2 接口接 入车载微机) ： 接收单元 图3 - 2 系统g p s 区间定位的构成 天线单元：由接收天线和前置放大器组成。其作用是把来自卫星的信 号能量转化为相应的电流量，并经过前置放大器送入射频部分进行交换， 以使接收机对信号进行跟踪处理测量。g p s 接收机一般采用全向振子天线， 小型螺旋天线和微带天线，微带天线是接收天线的主要发展方向。 接收单元：包括信号波道，存储器，计算与显示控制和电源部分。其 中信号波道是核心部分，它把来自g p s 接收天线的卫星信号隔离开来，以 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 便处理和测量。它不是简单的信号波道，由相应的硬件和软件组成，按照 波道的工作原理，波道类型可分为码相关型波道，平方型波道和码相位型 波道。 车载传输单元：r s 2 3 2 通信接口，嵌入式微机系统，车载显示器，无 线传输设备组成。嵌入式微机接收并处理g p s 信息，由无线传输设备传输 及接收定位信息。 系统采用的是g p s 动态定位，用g p s 接收机测定列车的运行轨迹。列 车上的g p s 接收机天线在跟踪g p s 卫星的过程中相对地球而运动，接收机 用g p s 信号实时测得运动载体的状态参数( 瞬间三维位置和三维速度) 。 从原理上讲，g p s 观测的是距离。通过所测量到的距离与位置之间的 关系，反推出所要确定的位置在w g s 8 4 坐标中的三维坐标。6 p s 系统采用 高轨测距体制，以观测站至g p s 卫星之间的距离作为基本观测量。为了获 得距离观测量，主要采用两种方法：一是测量g p s 卫星发射的测距码信号 到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；一是测量具有载波多普勒频移 的g p s 卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波 相位测量。通过对4 颗或4 颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可 推算出接收机的三维位置。g p s 接收机根据接收所选卫星发来的导航信息 和星钟校正参数的时间，能算出接收机到卫星的距离。如果测量到三颗卫 星的距离，则分别以三颗卫星发射时刻的卫星位置( 按发射的星历参数确 定) 为中心，根据测得的距离画出三个球，其交点便是用户的三维位置。 但是由于接收机的本机钟对星载原子钟存在偏差，上面所测的距离并 不能代表卫星到接收机的真实距离，通常把这种距离称为“伪距离( 简 称伪距) 。 对第1 颗星来说，伪距r i 的表达式为阳1 ： r = r i + c a t a i + c i a t u i 一结fl( 3 1 ) 式中尺i 一真距； c 一光速： a t a i 一信号传播时延； a t u i 一用户钟相对于g p s 时间的偏差； a t s i 一卫星钟相对于g p s 时间的偏差，可以依据卫星导航电文 求得，是一个己知数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 正因为用户钟与g p s 时间不能精确同步，故每次测量总会有一个固定 的偏差，这种偏差使定位产生不定性。如果再测量一个到第4 颗卫星的伪 距，则这时由用户钟偏差造成的定位不定性就产生一个由4 个相交球面所 围成的误差体积。从每个伪距测量中加上或减去这个固定值就消去了该固 定体积，结果得到4 个球面相交于一点，这就是用户的三维位置。实际上， 这只要观测4 颗卫星的伪距并接收卫星的导航信息，算出4 个方程的解就 可以得到。 g p s 接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在 载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载 波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机 本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持 对卫星信号的跟踪，就可纪录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和 卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的， 即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至 毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观 测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度，也只能采用 相位观测值。 系统中g p s 接收机采用单点定位技术，即根据一台接收机的观测数据 来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，用于列车的导航定位。 这与在列车首尾各装一台接收机的方案并不冲突，在列车安装两台的目的 是对多套g p s 定位结果及性能进行数据融合，实现定位数据互检校，而且 可同时对列车首尾跟踪定位，定位及检校的同时实现列车完整性检测。 3 2 2d r 定位 由于铁路沿线路况复杂，当列车遇到隧道、山区、森林、建筑群等障 碍时，g p s 信号会消失或减弱，使列车定位跟踪失效，这时的系统需要采 用航位推算法来解决此问题。 d r ( 航位推算) 是典型的独立定位技术。其原理就是陆地车辆定位可以 认为是行驶在二维平面内，在已知起点的情况下，测出车辆行驶的方向和 距离，求出x 、y 方向上的位移量，从而推算出行驶列车的位置。如图3 - 3 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 ( x o ，y o ) 图3 - 3 航位推算原理图 在t n 时刻，列车的位置g 。，y ) 和取向见可按下列公式计算： 矗= x o + 盔c o s t 9 , f = 0 1 - - i y 。= + d i s i no